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《中国科学报》:科学家观测到量子自旋液体中的分数化激发

作者:黄辛、卢晓璐来源:《中国科学报》2016年12月7日发布时间:2016-12-07

复旦大学物理学系赵俊课题组与陈钢课题组等利用中子散射技术在一种量子自旋液体候选材料中首次观测到了分数化自旋激发——完整的自旋子激发谱,这一结果为该体系中量子自旋液体态的实现提供了强有力的证据。12月5日,相关研究成果在线发表于《自然》。

量子自旋液体是指系统中有很强的自旋关联,但是到绝对零度都不出现磁有序的一种新的物质态。量子自旋液体这一概念一经提出便吸引了众多物理学家的目光,这不仅源于其应用前景,如高温超导机理、量子计算,更因为其背后蕴含复杂深刻的物理机制。经过40多年研究,人们已经取得了很多理论方面的成果,提出了多种多样的量子自旋液体的基态,但公认的量子自旋液体存在的实验证据仍然缺乏。

最近,一个新的量子自旋液体候选材料进入了复旦大学研究人员的视线,这是一种准二维的三角晶格反铁磁体。经过长时间的摸索,研究人员利用新建成的高温高压光学浮区单晶炉,成功地生长出高质量、大尺度的单晶样品,这让深入研究该样品的微观性质成为可能。

同时,研究人员利用中子散射技术对该材料单晶样品进行了细致的测量。研究发现该样品的磁激发并不是尖锐的自旋波(磁振子)激发,而是覆盖了布里渊区大片区域的连续谱。这种连续谱普遍存在于整个磁激发的带宽之内,并主要集中在布里渊区边界,而在布里渊区中心附近信号则被压制,从而在色散谱上形成了V字形的上边沿。这种连续谱是自旋子激发的典型特征,由中子激发的去禁闭的自旋子对造成。进一步的理论计算表明,这种连续谱在低能具有较高的态密度,其整体形状与自旋子费米面附近的粒子—空穴激发谱的计算结果相吻合,而和狄拉克量子自旋液体的激发谱相左。该结果也和该体系的极低温比热结果相吻合,说明这种材料很可能是一种具有规范场涨落的自旋子费米面量子自旋液体。

这项研究首次在二维三角格子体系中观测到了完整的自旋子激发谱,这为量子自旋液体的实现提供了强有力的实验证据,为量子自旋液体的研究注入了新的动力。审稿人对这项工作给予了高度评价:指出“数据质量非常高——比过去在《科学》和《自然》上发表的最好数据都更令人信服”,并称“对量子自旋液体的探索已经持续了40余年,是量子材料中最深刻的问题之一,这个结果既是原创性的又非常重要”。

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